CN113316215A - 基于无线能量的数据传输方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于无线能量的数据传输方法及系统，属于数据传输技术领域，中继节点将无线能量进行波束赋形后，发送给传感器节点；当传感器节点收集到的能量足够传输一次数据状态更新时，传感器节点产生一次数据状态更新，并将数据状态更新发送给中继节点；其中，通过中继节点控制无线能量的分配，使数据状态更新的峰值信息年龄最小；中继节点接收到数据状态更新，进行数据的更新。本发明能量传输和信息交换同时进行，设计能量传输及传感器节点信息更新策略，控制不同传感器能量供给及信息传输；利用波束赋形技术和多个高增益天线将能量以窄波束集中到接收端，将能量一次分配到一个传感器节点上，实现了高效、高定向的能量传输。

Description

基于无线能量的数据传输方法及系统
技术领域
本发明涉及数据传输技术领域，具体涉及一种无线能量物联网系统的基于无线能量的数据传输方法及系统。
背景技术
物联网是指通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。物联网技术，可应用于智能家居、智能电网、智慧交通、智慧城市等领域，而实时监控系统是应用于智能家居、智能电网、智慧交通、智慧城市等领域的基本技术系统。在实时监控系统中，数据的实时维护更新是一项基本要求，因为过时的数据测量可能会降低系统性能，甚至导致灾难性的后果。
在许多用于评估数据新鲜度的指标中，信息年龄(Age of Information，AoI)的概念近期受到了重要的研究关注，该概念度量从上次状态更新到当前状态更新所经过的时间。AoI值越小，表示数据质量越好。进行AoI的最优化，能够保证数据的新鲜度，提高传感及控制系统的性能。
部署在实时监控系统中的嵌入式设备为数据传输提供能量，其通常为电池供电，而更换电池或充电的不方便，存在一定的危险性(例如，在有毒或高海拔环境中)，且成本较高。从周围环境(如热能、太阳能、振动和无线)获取能量，即能量收集(EH)技术，是目前能量受限的嵌入式设备延长工作时间的替代方案。无线能量收集有许多实用的优点：如距离远、生产成本低、接收器外形小和高效的群发能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于能量收集(EH)技术，保证无线能量物联网系统的数据新鲜度的基于无线能量的数据传输方法及系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于无线能量的数据传输方法，包括：
中继节点将无线能量进行波束赋形后，发送给传感器节点；
当传感器节点收集到的能量足够传输一次数据状态更新时，传感器节点产生一次数据状态更新，并将数据状态更新发送给中继节点；其中，通过中继节点控制无线能量的分配，使数据状态更新的峰值信息年龄最小；
中继节点接收到数据状态更新，进行数据的更新。
优选的，使数据状态更新的信息年龄最小包括：使每个传感器节点在一个超周期内传输相同数量的数据状态更新，并保持每个传感器节点的等待其他传感器节点接收无线能量的时间都一致。
优选的，一个数据状态更新的峰值信息年龄AOI为：
Figure BDA0003160703780000021
其中，Xi,j表示连续两个数据状态更新之间的更新时间间隔，Xi,j＝ti,j+1-ti,j，，ti,j表示当前数据状态更新到达时对应的时刻，ti,j+1表示前一个数据状态更新到达时对应的时刻，Pi,j表示更新数据状态时的AOI峰值；
Figure BDA0003160703780000022
表示周期内传感器节点完成一次传递更新所分配的能量转移时间；
Figure BDA0003160703780000023
表示数据状态更新中传感器节点等待其他传感器节点接收能量的时间；
Figure BDA0003160703780000024
表示系统空闲时间，即该时隙内没有能量转移。
优选的，对于一个传感器节点Ni：
Figure BDA0003160703780000025
为了最小化AOI，其更新的所有
Figure BDA0003160703780000026
都应该保持一致，即：
Figure BDA0003160703780000031
优选的，周期内传感器节点完成一次传递更新所分配的能量转移时间为：
Figure BDA0003160703780000032
其中，
Figure BDA0003160703780000033
表示传感器节点向中继节点传输一次状态更新的能耗，Pi h表示传感器节点获取的无线能量的功率。
优选的，传感器节点向中继节点传输一次状态更新的能耗为：
Figure BDA0003160703780000034
其中，n表示传感器节点的个数，τ表示实际调制和编码的可实现速率和信道容差之间的差值，σ2表示噪声的方差，gi表示中继节点和传感器节点之间的上行信道增益，R表示数据信息的传输带宽。
优选的，传感器节点获取的无线能量的功率为：
Pi h＝ηP0hi,i＝1,2,...,n；其中，η表示能量接收器的能量转换效率，P0表示中继节点向传感器节点发送无线能量的传输效率，hi表示中继节点和传感器节点之间的传输通道功率增益。
第二方面，本发明提供一种基于无线能量的数据传输系统，包括：
中继节点和传感器节点；
中继节点将无线能量进行波束赋形后，发送给传感器节点；
当传感器节点收集到的能量足够传输一次数据状态更新时，传感器节点产生一次数据状态更新，并将数据状态更新发送给中继节点；其中，通过中继节点控制无线能量的分配，使数据状态更新的峰值信息年龄最小；
中继节点接收到数据状态更新，进行数据的更新。
第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如上所述的基于无线能量数据传输方法。
第四方面，本发明提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行如上所述的基于无线能量数据传输方法的指令。
术语说明：
Age of Information(AoI)：信息年龄。作为信息系统信息更新时效性的重要指标，表征的是信息的新鲜程度，从一个过程的外部观察，该信息的新鲜程度特性，年龄大，指信息“旧”、“不新鲜”。在实时性敏感的应用中，被需要的多是年龄小，更新鲜的数据。本公开引入信息年龄的概念来描述来自传感器设备的状态更新，标识所监视的物理实体的当前状态的密切程度。
Worst-case AoI-Optimized time Allocation(WAOA)：最坏情况下的AOI优化的时间分配(WAOA)，本公开设计的最佳时间和能量分配方法。
RF-Powered IoT Systems：无线供能的物联网系统。
IoT：物联网(The Internet of Things，简称IoT)是指通过各种信息传感器、无线识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。
数据新鲜度(Data freshness)：数据的新鲜度体现在：数据的更新时效：实时更新、每天更新、每周更新、每月更新。随着现代技术的越来越发达，信息扁平化、实时化，决策也越来高效。数据的时效：数据的时效体现在今天看到是今天、昨天、还是前天，或者上周的数据，即使每天更新的数据，也未必是最新鲜的数据。数据的更新机制，背后往往是系统的工作机制、数据对接的机制。
The hybrid access point(HAP)：混合接入点(HAP)，本公开HAP具备控制器、通信芯片、数据链路、无线分配器、天线阵等组件。具备更新调度方案、发射无线供能、接收信息更新、记录数据等功能。
Node(Ni＝1,…,n)：传感器节点，本公开指无线能量接收和信息传送的传感器节点。
Average Energy Transfer time Allocation(AETA):平均能量转移时间分配(AETA):这种方法允许HAP使用相同的时间将能量传输到每个节点。它本质上是时间分配调度方法，其中HAP同时向所有用户广播无线能量。
Throughput Maximum First time Allocation(TMFA)：吞吐量最大首次分配(TMFA):该方法是为了提高无线供能物联网系统的吞吐量。它倾向于为近节点分配比远节点更多的时间。
Wireless Energy Transfer(WET):无线能量传递。
时分多址(Time division multiple access，缩写：TDMA)是一种为实现共享传输介质(一般是无线电领域)或者网络的通信技术。它允许多个用户在不同的时间片(时隙)来使用相同的频率。用户迅速的传输，一个接一个，每个用户使用他们自己的时间片。这允许多用户共享同样的传输媒体 (例如：无线电频率)。
本发明有益效果：能量传输和信息交换同时进行，设计能量传输及传感器节点信息更新策略，控制不同传感器能量供给及信息传输，将信息更新及时发送；利用波束赋形技术和多个高增益天线将能量以窄波束集中到接收端，将能量一次分配到一个传感器节点上，实现高效的能量传输，实现了高效、高定向的能量传输。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的最坏情况AOI优化流程示意图。
图2为本发明实施例所述的AOI优化系统结构示意图。
图3为本发明实施例所述的最坏情况AOI实验结果示意图。
图4为本发明实施例所述的AOI(Δt)和峰值AOI(Pi,j)示意图。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例1
本实施例1提供一种基于无线能量的数据传输系统，该系统包括：
中继节点和传感器节点；
中继节点将无线能量进行波束赋形后，发送给传感器节点；
当传感器节点收集到的能量足够传输一次数据状态更新时，传感器节点产生一次数据状态更新，并将数据状态更新发送给中继节点；其中，通过中继节点控制无线能量的分配，使数据状态更新的峰值信息年龄最小；
中继节点接收到数据状态更新，进行数据的更新。
本实施例1中，利用上述的基于无线能量的数据传输系统实现了基于无线能量的数据传输方法，该方法包括：
中继节点将无线能量进行波束赋形后，发送给传感器节点；
当传感器节点收集到的能量足够传输一次数据状态更新时，传感器节点产生一次数据状态更新，并将数据状态更新发送给中继节点；其中，通过中继节点控制无线能量的分配，使数据状态更新的峰值信息年龄最小；
中继节点接收到数据状态更新，进行数据的更新。
本实施例1中，使数据状态更新的信息年龄最小包括：使每个传感器节点在一个超周期内传输相同数量的数据状态更新，并保持每个传感器节点的等待其他传感器节点接收无线能量的时间都一致。
其中，一个数据状态更新的峰值信息年龄AOI为：
Figure BDA0003160703780000081
其中，Xi,j表示连续两个数据状态更新之间的更新时间间隔， Xi,j＝ti,j+1-ti,j，，ti,j表示当前数据状态更新到达时对应的时刻，ti,j+1表示前一个数据状态更新到达时对应的时刻，Pi,j表示更新数据状态时的AOI峰值；Ti et表示周期内传感器节点完成一次传递更新所分配的能量转移时间；
Figure BDA0003160703780000083
表示数据状态更新中传感器节点等待其他传感器节点接收能量的时间；
Figure BDA0003160703780000084
表示系统空闲时间，即该时隙内没有能量转移。
对于一个传感器节点Ni：
Figure BDA0003160703780000085
为了最小化AOI，其更新的所有
Figure BDA0003160703780000086
都应该保持一致，即：
Figure BDA0003160703780000087
周期内传感器节点完成一次传递更新所分配的能量转移时间为：
Figure BDA0003160703780000088
其中，
Figure BDA0003160703780000089
表示传感器节点向中继节点传输一次状态更新的能耗，Pi h表示传感器节点获取的无线能量的功率。
传感器节点向中继节点传输一次状态更新的能耗为：
Figure BDA0003160703780000091
其中，n表示传感器节点的个数，τ表示实际调制和编码的可实现速率和信道容差之间的差值，σ2表示噪声的方差，gi表示中继节点和传感器节点之间的上行信道增益，R表示数据信息的传输带宽。
传感器节点获取的无线能量的功率为：
Pi h＝ηP0hi,i＝1,2,...,n；其中，η表示能量接收器的能量转换效率，P0表示中继节点向传感器节点发送无线能量的传输效率，hi表示中继节点和传感器节点之间的传输通道功率增益。
本实施例1中，信息年龄(AOI)描述来自传感设备的状态更新，表示所监视的物理实体的当前状态的密切程度。AOI值越小，表示数据质量越好。为了优化无线供能物联网系统中的最坏情况下信息年龄这个目标，我们需要使每个节点在一个超周期内传输相同数量的状态更新，并保持任何传感器节点的
Figure BDA0003160703780000092
都一致。
实施例2
本实施例2中，提供一种基于优化无线供能物联网系统中的最坏情况下信息年龄的数据采集系统，包括：
分布式传感器节点采集无线能量，并将包含一个或多个物理实体的实时更新状态通过混合接入点HAP(即中继几点)传输到中央控制器的实时监控系统。
混合接入点(HAP):HAP具备控制器、通信芯片、数据链路、无线分配器、天线阵等组件。具备更新调度方案、发射无线供能、接收信息更新、记录数据等功能。
传感器节点(Ni)：指无线能量接收和信息传送的传感器节点。
如图2所示，为了对广泛基础设施中的关键物理实体进行密切监控，通常采用分层监控结构来部署大量的传感器节点。关键的设计问题是如何基于传感器节点的能量收集产生信息更新，以及如何基于无线供能实现更新调度方案。本实施例2中，采用分布式传感器节点采集无线能量，并将包含一个或多个物理实体的实时更新状态通过HAP传输到中央控制器的实时监控系统。
由于微型传感器节点的电池容量和光学特点，在传感器节点更新传播策略中贪心策略是一种简单而有效的解决方案。假设所有的传感器节点对状态更新的传输采用贪心策略，即当传感器节点收集到的能量足够传输一次状态更新时，传感器节点就会产生一次状态更新。因此，HAP可以通过控制每个节点的能量分配来管理更新的生成。假设每个传感器节点都与一个固定的 HAP相关联，且该HAP的能量补充是充足的，因此，本实施例2中着重于管理一个子网中状态更新的能量分配。
如图2中，子网系统由一个HAP和n个传感器节点用Ni＝1,2,...,n。HAP进行高度定向能量转移使用M高增益天线组成的天线阵列(M>1)，而信息交换使用另一个单一的天线。为了同时支持该网络中的能量传输和信息交换，每个传感器节点还配备了两根专用天线，一根用于能量采集，另一根用于通信。
hi和gi分别表示HAP和Ni之间的下行通道功率增益和上行通道功率增益。假设下行信道和上行信道都遵循独立的准静态平坦衰落。注意hi和gi都捕获了路径损耗、阴影和多径衰落的联合效应。在此，应用了一个常见的假设，即节点的位置是已知的，因此，它们的平均信道功率增益可以在HAP中预估和已知。
在本实施例2中，为最小化目标系统的最坏情况AoI，考虑到HAP可以同时进行能量传递和信息交换，并且所需的能量传递时间远远大于信息传递时间1(1根据我们实现的无线驱动物联网测试床的测量结果，传输一个小数据包只需要几毫秒，但要收集足够的能量来支持数据包的传输则需要多秒)，重点研究了在WET(无线能量传递)中每个节点的时间分配。
为了实现高效、高定向的能量传输，在HAP上利用波束赋形技术，利用多个高增益天线将能量以窄波束集中到接收端。因此，该系统可以将能量一次分配到一个传感器节点上，实现高效的能量传输。
在能量传递过程中，HAP以P0的传输功率向各个节点发送无线信号，并在指定的时间内持续发送。假设从信道噪声和其他节点的信息信号中获取的能量可以忽略，我们可以得到Ni处的收获功率：
Pi h＝ηP0hi,i＝1,2,...,n；
其中，η∈(0,1]为取决于接收器类型的能量转换效率，hi为HAP与Ni之间的能量传输通道功率增益。
对于Ni在获取足够能量时向HAP发送状态更新的信息传输，基于之前的研究，假设状态更新的大小相同S，信息传输带宽为R，则可以推导出从Ni向 HAP传输一次状态更新的能耗：
Figure BDA0003160703780000111
其中，τ描述了使用实际调制和编码方案的可实现速率和信道容量之间的差值，σ2表示噪声方差，gi表示HAP和Ni之间的上行信道功率增益。
对于天线阵中天线发出的每个射频信号，HAP控制信号的相位。在HAP 中使用多个天线阵列，可以实现较高功率的无线能量传输(例如8个天线阵列，可以实现4W的无线能量传输)。相位的特定组合可以使信号波束集中在指定的方向上。因此，该方向上的传感器节点可以比其他节点收获更多的能量。为了实现这个目标，HAP使用软件定义无线电(SDR)产生功率信号，包括运行在PC机和USRP(Universal Software Radio Peripheral，通用软件无线电外设)硬件上的GNU Radio(一种无线电软件)。这样，HAP就可以将能量逐个传输到所有节点。
实施例3
本实施例3中，混合接入点(HAP)将能量波束赋形，通过指向型天线阵列发送给传感器节点，实现点对点同时对能量、信息传输和接收，在无线功能的物联系统中最小化最坏情况的信息年龄(Age of Information，AoI)。利用AoI 度量定量地度量数据的新鲜度，并对目标系统中实时数据的最坏AoI进行了综合分析。为了使最坏的AoI最小化，设计了一种最优的资源分配方案来明智地确定单个传感器节点的能量和时间分配。开发了一个多节点RF-powered IoT测试平台，以验证所提解决方案的功能正确性。在不同的设置下进行了性能评估实验。实验结果表明，所提出的解决方案可以显著优于目前最先进的方法，平均降低最坏AoI的69.3％。
本实施例3中，数据传输测试平台包括一个HAP(1个核心处理器 CC2650，1个PC机、8个天线及放大器阵列、1个分频器等)和5个节点。HAP 的设计中通过8个天线阵列与传感器节点(Nodei)通信，并向传感器提供能量。通信部分安装了CC2650芯片，为HAP和Node提供通信服务。将从Node接收的数据上传到PC上运行的数据接收器中。
HAP的设计目的是通过8个天线阵列与传感器节点通信，并向它们提供能量。在通信部分，系统中安装了CC2650芯片，为HAP和传感器节点提供通信服务。HAP使用CC2650作为协调器，它将从节点接收到的数据上传到PC上运行的数据接收器，数据接收器记录从协调器接收到的所有数据。能量传输部分采用波束形成技术，提高了无线能量传输的效率。其基本思想是，对于天线阵中天线发出的每个射频信号，HAP控制信号的相位。在HAP中使用8个天线阵列，可以实现4W的无线能量传输。相位的特定组合可以使信号波束图集中在指定的方向上。因此，该方向上的传感器节点可以比其他节点收获更多的能量。为了实现这个目标，HAP使用软件定义无线电(SDR)产生功率信号，包括运行在PC机和USRP硬件上的GNU无线电软件。这样，HAP就可以将能量逐个传输到所有节点。
对于Nodei，所有的传感器节点都设计为从射频信号中获取能量并与HAP 通信。传感器节点也利用CC2650芯片作为无线模块进行信息传输。对于每个传感器节点，来自HAP的功率信号首先到达功率天线。然后信号被整流器整流，并收集到一个电源管理(PM)芯片充电电池，并为CC2650提供一个调节和稳定的电源，以支持与HAP的通信。分别在ISM 2.4GHz和ISM 915MHz频段进行了数据传输和能量传输。这样，系统可以将能量传输到节点，并与节点并行通信，干扰最小。
如图2所示，为总网络结构图和由一个混合接入点(HAP)和n个无线供能的传感器节点(Node)组成的子网系统模型。
假设某个Node收到的信道噪声和从其他Node发出的信号能量都可以忽略。对于HAP来讲，在HAP上利用波束赋形技术，利用多个高增益天线将能量以窄波束集中到接收端。因此，该系统可以将能量一次分配到一个传感器节点上，实现高效的能量传输。在能量传递过程中，HAP以P0的传输功率向各个节点发送射频信号，并在指定的时间内持续发送。
对于Node来讲，假设所有的传感器节点对状态更新的传输采用贪心策略，即当传感器节点收集到的能量足够传输一次状态更新时，传感器节点就会产生一次状态更新。因此，HAP可以通过控制每个节点的能量分配来管理更新的生成。假设每个传感器节点都与一个固定的HAP相关联，且该HAP的能量补充是充分的，因此本文着重于管理一个子网中状态更新的能量分配。
HAP进行高度定向能量转移使用M高增益天线组成的天线阵列(M>1)和信息交换与另一个单一的天线。为了同时支持该网络中的能量传输和信息交换，每个传感器节点还配备了两根专用天线，一根用于能量采集，另一根用于通信。
hi和gi分别表示HAP和Ni之间的下行通道功率增益和上行通道功率增益。假设下行信道和上行信道都遵循独立的准静态平坦衰落。注意hi和gi都捕获了路径损耗、阴影和多径衰落的联合效应。在这项工作中应用了一个常见的假设，即节点的位置是已知的，因此它们的平均信道功率增益可以在HAP 中预估和已知。
如图1所示，本实施例3中，系统开始后，首先由HAP发射无线能量， HAP根据已知的Node所在的位置不同，使用波束赋形技术，对不同的Node提供不同的能量传输方案；
而Node开始接收到无线能量，当能量接收的时间满足S1+S2+S3的时候， Node接收满了足够一次传输信息的能量，开始Node(Ni)传输信息更新；
HAP接收到信息更新，系统运行结束。
信息年龄(AoI)描述来自传感设备的状态更新，表示所监视的物理实体的当前状态的密切程度。AoI值越小，表示数据质量越好。根据能量传输和信息交换同时进行，设计能量传输及传感器节点信息更新策略，控制不同传感器能量供给及信息传输，将信息更新及时发送给HAP。
Figure BDA0003160703780000141
其中，
Figure BDA0003160703780000142
表示周期内传感器节点完成一次传递更新所分配的能量转移时间；
Figure BDA0003160703780000143
表示数据状态更新中传感器节点等待其他传感器节点接收能量的时间；
Figure BDA0003160703780000144
表示系统空闲时间，即该时隙内没有能量转移。
对于一个传感器节点，其最坏情况的AoI是该节点所有更新的峰值AoI中的最大值。
本实施例3中，为了优化无线供能物联网系统中的最坏情况下信息年龄这个目标，需要使每个节点在一个超周期内传输相同数量的状态更新，并保持任何传感器节点的
Figure BDA0003160703780000145
都一致。
本实施例3中，为了评估所提出的最坏情况下的AOI优化的时间分配 (WAOA)方法的有效性，将其与以下两种基线方法进行比较。
能量传输时间平均分配(AETA)：这种方法允许HAP使用相同的时间将能量传输到每个节点。它本质上是时间分配调度方法，其中HAP同时向所有用户广播无线能量。
网络吞吐率优先分配(TMFA)：该方法是为了提高无线供能物联网系统的吞吐量。它倾向于为近节点分配比远节点更多的时间。
如图3所示，为不同参数设置下最坏情况AoI的实验结果。在第一组实验中，当发射功率设置为4W时，测量了两个节点在不同距离下的最坏情况 AoI。对于这两个节点N1和N2，如图3(a)所示，一个节点到HAP的距离固定为 0.5m，另一个节点到HAP的距离变化(从0.5m到2.0m)。在这组以AETA为基准的实验中，使用了归一化的最坏情况AoI。在实验中，从图3(a)可以看出，当两个节点设置接近时，这三种解决方案的最坏情况AoI性能水平是相似的。但随着两种节点设置之间差距的增大，所提出的解决方案在最坏的AoI上表现出了显著的性能提升，与其他方法相比，所提出的解决方案总是表现出最好的性能。
在第二组实验中，在固定节点设置和传输功率的同时，将节点数量从2个改变到10个。从图3(b)可以看出，所提出的WAOA方法总是给出最小的最坏情况AoI。当节点数大于4时，提出的WAOA方法性能有显著提高。与两种基线方法相比，该方法可将最坏情况AoI平均降低69.3％。
除了节点设置和节点编号，能量传递的另一个关键因素是传递功率。图 3(c)总结了在每个节点固定节点设置的情况下，将传输功率从1.0W改为4.0W 时的实验结果。在这组实验中，评估了具有四个节点的无线供电物联网系统的三种方法(AETA、TMFA和WAOA)的最坏情况AoI。如图3(c)所示，所提出的WAOA方法总是获得最好的性能。当发射功率较高时，这三种方案的相对性能差异较小。但在低发射功率时，所提方案的最坏情况AoI性能更突出。
图4给出了一个示例，显示了系统模型中传感器节点的实时数据的AoI和峰值AoI的变化情况。用ti,j来表示更新ui,j到达时对应的时间瞬间。如图4所示， AoI(Δ(t))随时间线性增加，并在接收到新的更新时重置为0，遵循锯齿模式。Xi,j表示连续收到的两个更新(ui,j和ui,j+1)之间的更新间隔，Xi,j＝ti,j+1-ti,j。设Pi,j为更新ui,j时的AoI峰值，Pi,j＝Xi,j。
更新ui,j的峰值AoI定义为：
Figure BDA0003160703780000161
对于一个传感器节点，其最坏情况的AoI是该节点所有更新的峰值AoI中的最大值。
Ti et取决于能量模型和设置。
Figure BDA0003160703780000162
其中，
Figure BDA0003160703780000163
表示传感器节点向中继节点传输一次状态更新的能耗，Pi h表示传感器节点获取的无线能量的功率。
Figure BDA0003160703780000164
为所有传感器节点共享的系统空闲时间，可以设置，为了最小化最坏情况的AoI，将
Figure BDA0003160703780000165
设为0，那么对于每个更新，优化最坏AoI时，关键是确定这个更新的
Figure BDA0003160703780000166
对于一个传感器节点Ni，
Figure BDA0003160703780000167
表示Ni在更新ui,j中等待其他节点接收能量的时间，则有：
Figure BDA0003160703780000168
这意味着考虑节点Ni时，一个节点Ni的
Figure BDA0003160703780000169
之和是固定的。根据以公式 (1)和(2)，对于传感器节点Ni，为了最小化其最坏情况的AoI，其更新的所有
Figure BDA00031607037800001610
都应该保持一致，即
Figure BDA00031607037800001611
因此，周期性地发送每个更新，从而优化一个传感器节点的最坏情况AoI。
实施例4
本发明实施例4提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现基于无线能量的数据传输方法的指令，该方法包括：
中继节点将无线能量进行波束赋形后，发送给传感器节点；
当传感器节点收集到的能量足够传输一次数据状态更新时，传感器节点产生一次数据状态更新，并将数据状态更新发送给中继节点；其中，通过中继节点控制无线能量的分配，使数据状态更新的峰值信息年龄最小；
中继节点接收到数据状态更新，进行数据的更新。
实施例5
本发明实施例5提供一种计算机程序(产品)，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行时，用于实现如上所述的基于无线能量的数据传输方法，该方法包括：
中继节点将无线能量进行波束赋形后，发送给传感器节点；
当传感器节点收集到的能量足够传输一次数据状态更新时，传感器节点产生一次数据状态更新，并将数据状态更新发送给中继节点；其中，通过中继节点控制无线能量的分配，使数据状态更新的峰值信息年龄最小；
中继节点接收到数据状态更新，进行数据的更新。
实施例6
本发明实施例6提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行如上所述的基于无线能量的数据传输方法，该方法包括：
中继节点将无线能量进行波束赋形后，发送给传感器节点；
当传感器节点收集到的能量足够传输一次数据状态更新时，传感器节点产生一次数据状态更新，并将数据状态更新发送给中继节点；其中，通过中继节点控制无线能量的分配，使数据状态更新的峰值信息年龄最小；
中继节点接收到数据状态更新，进行数据的更新。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无线能量的数据传输方法，其特征在于，包括：
中继节点将无线能量进行波束赋形后，发送给传感器节点；
当传感器节点收集到的能量足够传输一次数据状态更新时，传感器节点产生一次数据状态更新，并将数据状态更新发送给中继节点；其中，通过中继节点控制无线能量的分配，使数据状态更新的峰值信息年龄最小；
中继节点接收到数据状态更新，进行数据的更新。
2.根据权利要求1所述的基于无线能量的数据传输方法，其特征在于，使数据状态更新的信息年龄最小包括：使每个传感器节点在一个超周期内传输相同数量的数据状态更新，并保持每个传感器节点的等待其他传感器节点接收无线能量的时间都一致。
3.根据权利要求2所述的基于无线能量的数据传输方法，其特征在于，一个数据状态更新的峰值信息年龄AOI为：
Figure FDA0003160703770000011
其中，Xi,j表示连续两个数据状态更新之间的更新时间间隔，Xi,j＝ti,j+1-ti,j，ti,j表示当前数据状态更新到达时对应的时刻，ti,j+1表示前一个数据状态更新到达时对应的时刻，Pi,j表示更新数据状态时的AOI峰值；
Figure FDA0003160703770000012
表示周期内传感器节点完成一次传递更新所分配的能量转移时间；
Figure FDA0003160703770000013
表示数据状态更新中传感器节点等待其他传感器节点接收能量的时间；
Figure FDA0003160703770000014
表示系统空闲时间，即该时隙内没有能量转移。
4.根据权利要求3所述的基于无线能量的数据传输方法，其特征在于，对于一个传感器节点Ni：
Figure FDA0003160703770000015
为了最小化AOI，其更新的所有
Figure FDA0003160703770000016
都应该保持一致，即：
Figure FDA0003160703770000017
5.根据权利要求4所述的基于无线能量的数据传输方法，其特征在于，周期内传感器节点完成一次传递更新所分配的能量转移时间为：
Figure FDA0003160703770000021
其中，
Figure FDA0003160703770000022
表示传感器节点向中继节点传输一次状态更新的能耗，Pi h表示传感器节点获取的无线能量的功率。
6.根据权利要求5所述的基于无线能量的数据传输方法，其特征在于，传感器节点向中继节点传输一次状态更新的能耗为：
Figure FDA0003160703770000023
其中，n表示传感器节点的个数，τ表示实际调制和编码的可实现速率和信道容差之间的差值，σ2表示噪声的方差，gi表示中继节点和传感器节点之间的上行信道增益，R表示数据信息的传输带宽。
7.根据权利要求6所述的基于无线能量的数据传输方法，其特征在于，传感器节点获取的无线能量的功率为：
Pi h＝ηP0hi,i＝1,2,...,n；其中，η表示能量接收器的能量转换效率，P0表示中继节点向传感器节点发送无线能量的传输效率，hi表示中继节点和传感器节点之间的传输通道功率增益。
8.一种基于无线能量的数据传输系统，其特征在于，包括：
中继节点和传感器节点；
中继节点将无线能量进行波束赋形后，发送给传感器节点；
当传感器节点收集到的能量足够传输一次数据状态更新时，传感器节点产生一次数据状态更新，并将数据状态更新发送给中继节点；其中，通过中继节点控制无线能量的分配，使数据状态更新的峰值信息年龄最小；
中继节点接收到数据状态更新，进行数据的更新。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如权利要求1-7任一项所述的基于无线能量的数据传输方法。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行如权利要求1-7任一项所述的基于无线能量的数据传输方法的指令。
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